Бактериальное выщелачивание
БАКТЕРИАЛЬНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ металлов (а. bacterial lixiviation, bacterial leaching; н. bakterielle Auslaugung; ф. lessivation bacterienne, lessivage bacterien; и. lixiviacion bacteriana) — извлечение химических элементов из руд, концентратов и горных пород с помощью бактерий или их метаболитов. Большая часть совмещается с выщелачиванием слабыми растворами серной кислоты бактериального и химического происхождения, а также растворами, содержащими органические кислоты, белки, пептиды, полисахариды и т.д.
Выщелачивание металлов из руд известно с давних времён. В 1566 в Венгрии осуществляли полный цикл выщелачивания с использованием системы орошения, в Германии выщелачивание меди из отвалов практиковалось с 16 века. В 1725 в Испании на руднике Рио-Тинто выщелачивали медные руды. Это были первые практические применения Бактериального выщелачивания, механизм которого (участие бактерий) не был известен. В 1947 американскими микробиологами выделен из рудничных вод ранее неизвестный микроорганизм Thiobacillus (Th.) ferrooxidans, который окисляет практически все сульфидные минералы, серу и ряд её восстановленных соединений, закисное железо, а также Cu + , Se 2- , Sb 3+ , U 4+ при pH 1,0-4,8 (оптимум 2,0-3,0) и t 5-35°С (оптимум 30-35°С). Число клеток этих бактерий в зоне окисления сульфидных месторождений достигает 1 млн. — 1 млрд. в 1 г руды или 1 мл воды.
Выщелачивание меди с помощью Th. ferrooxidans запатентовано в США в 1958 (С. Циммерлей и др.). В CCCP исследования начаты в конце 50-х годов. Позже было показано, что в сульфидных рудах распространены и другие бактерии, окисляющие Fe 2+ , S0 и сульфидные минералы, — Leptospirillum (L.) ferrooxidans, Thiobacillus organopatus, Thiobacillus thiooxidans, Sulfobacillus (S.) thermosulfidooxidans и др. L. ferrooxidans окисляет Fe 2+ , а при совместном присутствии с Th. thiooxidans или Th. organoparus — сульфидные минералы при pH 1,5-4,5 (оптимум 2,5-3,0) и t около 28°С S. thermosulfidooxidans окисляет Fe 2+ , S0 и сульфидные минералы при pH 1,9-3,5 и t 50°С. Ряд других термофильных бактерий окисляет Fe, S и сульфидные минералы при pH 1,4-3,0 и t 50-80°С. Процессы окисления неорганических субстратов служат для этих бактерий единственным источником энергии. Углерод для синтеза органических веществ клеток они получают из CO2, а другие элементы — из руд и растворов.
Реклама
При бактериальном выщелачивании руд цветных металлов широко используются тионовые бактерии Th. ferrooxidans, которые непосредственно окисляют сульфидные минералы, серу и железо и образуют химический окислитель Fe 3+ и растворитель — серную кислоту. Поэтому расход Н2SO4 при бактериальном выщелачивании снижается. Fe 3+ — основной окислитель при выщелачивании руд урана, ванадия, меди из вторичных сульфидов и других элементов. Наибольшая скорость бактериального выщелачивания достигается при тонком измельчении руды или концентрата (200 меш и меньше), в плотных пульпах (до 20% твёрдого), при активном перемешивании и аэрации пульпы, а также оптимальных для бактерий pH, температуре и высоком содержании клеток бактерий (10 9 -10 10 в 1 мл пульпы). При благоприятных условиях из концентратов в раствор за 1 ч переходит Cu до 0,7 г/л, Zn — 1,3, Ni — 0,2 и т.д. До 90% As извлекается из олово- и золотосодержащих концентратов за 70-80 ч. Скорость окисления сульфидных минералов в присутствии бактерий возрастает в сотни и тысячи раз, а Fe 2+ примерно в 2 • 10 5 раз по сравнению с химическим процессом. Селективность процесса бактериального выщелачивания цветных металлов определяется как кристаллохимическими особенностями сульфидов, так и их электрохимическим взаимодействием. Редкие элементы входят в кристаллические решётки сульфидных минералов или вмещающих пород и при их разрушении переходят в раствор и выщелачиваются. Следовательно, в выщелачивании редких элементов бактерии играют косвенную роль.
Бактериальное выщелачивание цветных металлов проводят из отвалов бедной руды (кучное) и из рудного тела (подземное). Технологическая схема бактериального выщелачивания приведена на рис.
Орошение руды в отвале или в рудном теле осуществляется водными растворами Н2SO4, содержащими Fe 3+ и бактерии. Раствор подаётся через скважины при подземном или путём разбрызгивания на поверхности при кучном выщелачивании. В руде в присутствии О2 и бактерий идут процессы окисления сульфидных минералов и медь переходит из нерастворимых соединений в растворимые. Раствор, содержащий медь, поступает на цементационную или другие установки (сорбция, экстракция) для извлечения меди, затем на отвал или рудное тело (схема замкнутая). Интенсификация выщелачивания достигается активизацией жизнедеятельности тионовых и других сульфидокисляющих бактерий, присутствующих в самой руде и адаптированных к конкретным условиям среды (тип руды, химический состав растворов, температура и т.д.). Для этого необходимы pH 1,5-2,5, высокий окислительно-восстановительный потенциал (Eh 600-750 мВ), благоприятный и стабильный химический состав растворов, что достигается путём их регенерации и режима аэрирования и увлажнения (орошения) руды. В отдельных случаях следует добавлять соли азота и фосфора, а также бактерии, выращенные на оборотных растворах в прудах-регенераторах. Число клеток бактерий в выщелачивающем растворе и руде должно быть не ниже 10 6 -10 7 соответственно в 1 мл или 1 г. Себестоимость 1 т меди, полученной этим способом, в 1,5-2 раза ниже, чем при обычных гидрометаллургических или пирометаллургических способах.
Бактериальное выщелачивание упорных сульфидных концентратов проводится прямоточно в серии последовательно соединённых чанов с перемешиванием и аэрацией аэрлифтом при t 30°С, pH 2,0-2,5 и концентрации клеток Th. ferrooxidans 10 10 -10 11 в 1 мл пульпы. Схема переработки сульфидных концентратов замкнутая. Оборотные растворы после частичной или полной регенерации используются в качестве питательной среды для бактерий и выщелачивающего раствора. Наиболее активными являются культуры бактерий, адаптированные к комплексу факторов (pH, тяжёлые металлы, тип концентрата и т.д.) в условиях активного процесса бактериального выщелачивания. Примеры бактериального выщелачивания в чанах: из коллективных медно-цинковых концентратов за 72-96 ч извлекаются в раствор до 90-92% Zn и Cd при извлечении Cu и Fe соответственно около 25% и 5%; из свинцовых концентратов можно полностью извлечь Cu, Zn и Cd. В растворах достигаются концентрации металлов: Cu до 50 г/л, Zn до 100 г/л и т.д. В олово- и золотосодержащих мышьяковистых концентратах арсенопирит практически полностью разрушается за 120 ч, что позволяет в одних случаях очистить концентраты от вредной примеси мышьяка, в других — при последующем цианировании извлечь до 90% золота.
В различных странах ведутся также исследования по бактериальному выщелачиванию металлов из отходов обогащения, пылей, шлаков и т.д. Разрабатываются способы бактериального выщелачивания золота, марганца, цветных металлов, а также обогащения бокситов с помощью гетеротрофных микроорганизмов (микроскопические грибы, дрожжи, бактерии). Эти микроорганизмы в качестве источника энергии и углерода используют органические вещества.
Ведущее значение при выщелачивании с помощью гетеротрофов играют процессы комплексообразования органических соединений с металлами, а также перекиси и гуминовые кислоты.
Внедрение бактериального выщелачивания, как и других гидрометаллургических способов добычи металлов, имеет большое экономические значение. Расширяются сырьевые ресурсы за счёт использования бедных и потерянных в недрах руд и т.д. Бактериальное выщелачивание обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, не требует создания сложных горнодобывающих комплексов, благоприятно для охраны окружающей среды.
В промышленных масштабах Бактериальное выщелачивание применяется для извлечения меди из забалансовых руд в США, Перу, Испании, Португалии, Мексике, Австралии, Югославии и других странах. В ряде стран (США, Канада, ЮАР) бактерии используются для выщелачивания урана. В CCCP Бактериальное выщелачивание меди внедряется на ряде месторождений.
Источник
Бактериальное золото
Человек научился использовать бактерии для извлечения полезных ископаемых из недр земли, в том числе золота. Этот метод, без понимания сути происходящего, люди использовали 2000 лет назад, ещё в Римской империи. Тогда не знали, что это микроорганизмы обеспечивали перевод металлов из сульфидов руды в раствор. И только с середины прошлого века стало известно, что растворы в рудных месторождениях обогащаются металлами, главным образом благодаря бактериям. Процесс перевода металлов в раствор называют бактериальным выщелачиванием. Он происходит в природе везде, где создаются условия для роста и деятельности хемоавтотрофных организмов – сульфидные руды, наличие кислорода воздуха и влага. Бактериальное выщелачивание (биовыщелачивание, БВ) основано на разложении сульфидов специальными бактериями. Эти бактерии питаются энергией, которую они получают в результате окисления сульфидов. После бактериального вскрытия сульфидов золото значительно легче извлекается цианированием. Современные технологии позволяют многократно ускорить те же процессы, которые миллионы лет в присутствии бактерий происходят в естественных условиях.
В 70-80 е годы прошлого столетия в СССР были разработаны основные положения биотехнологии, а в 1974 году была запущена первая в мире опытная установка по биогидрометаллургической переработке упорных золотосодержащих концентратов.
В настоящее время для бактериального выщелачивания используют такие способы как подземное, кучное и чановое выщелачивание. Бактериальное выщелачивание может быть организовано для первичных руд и для концентратов.
Сегодня все российское минеральное золотосодержащее сырьё, с которым мы имеем дело, разделяется на 2 типа: то, что лежит на поверхности, это окисленная часть месторождения (окисленные сульфидные руды), и более глубокая часть этого месторождения – коренные сульфидные руды. Коренные сульфиды на золотых месторождениях представлены арсенопиритом, пиритом, пиротином, халькопиритом и другими минералами, в которых находится золото. А на поверхности месторождения находятся те самые окисленные руды, в образовании которых активное участие принимали бактерии. Это те же руды, которые в течение миллионов лет прошли процесс бактериального окисления. При бактериальном выщелачивании сульфидных мышьяковистых руд, которые встречаются на месторождениях в Якутии и на Камчатке, тионовые бактерии путем окисления разрушают кристаллическую решетку сульфидов и вскрывают пирит или аресенопирит, обеспечивая реагентам доступ к вкраплениям золота. Тионовые бактерии (от греч. theion — сера), это серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.). Кроме того, бактерии при этом поглощают и обезвреживают ядовитые соединения, защищая окружающую среду. При современном промышленном бактериальном выщелачивании обеспечивается высокая степень извлечения золота, около 90%, тогда как без предварительной бактериальной обработки упорных руд выщелачивание золота не превышает 30-50%. В процессе окисления бактерии являются катализаторами, и в природных условиях этот процесс шел бы миллионы лет, в то время как в современных технологических условиях процесс окисления специально интенсифицируется, увеличивается скорость выщелачивания в тысячи и миллионы раз, по сравнению с тем, что происходит в природе.
В настоящее время основной запас российских руд, в том числе и золотосодержащих, находится в коренных месторождениях. В данном случае коренные – это сульфиды. Зона окисления сульфидов обычно не очень велика – десятки и первые сотни метров. Основная же часть запасов находится в более глубоких горизонтах, находящихся на глубине нескольких сотен метров до километра и более. Эти сульфидные руды представляют собой самые большие источники минерального сырья, как для благородных так и для цветных металлов. Поэтому учёные и занялись изучением бактерий применительно к золотым рудам, потому что возникла проблема извлечения золота из этих сульфидных руд. В упорной сульфидной руде золота не видно даже под микроскопом, хотя там может быть 5-10 грамм золота на тонну. Но золото там невидимое, так как находится в микронниках. Размер частиц составляет от десятков до тысячных долей микрона. Микронное золото при измельчении руды, даже до 20-ти микронной крупности, обычным цианированием не извлекается. И к таким упорным труднообогаимым рудам нашли подход с помощью бактерий, которые помогают такое золото извлекать.
Технология заключается в том, что бактерии окисляют сульфиды, и золото высвобождается, переходя в самородную форму. А уже затем это освобождённое золото извлекают с помощью цианирования в сернокислой среде (сами бактерии, окисляя сульфиды, образуют серную кислоту). На разных месторождениях используются различные штаммы бактерий похожие на аборигенных бактерий, которые обитают на этих месторождениях. Выявлено, что наиболее сильной растворяющей способностью обладают бактерии, отобранные на самих золотоносных месторождениях. Их развивают, увеличивают массу и затем используют в сернокислом растворе 2-3 до 5 грамм бактерий на литр. При промышленном извлечении золота в чане используется соотношение 1:4 или 1:5 – одна часть сернокислой жидкости (пульпы) и 4 или 5 частей твердой массы. Автоматически в процессе обеспечивается поступление ингредиентов.
Интересно отметить, что именно в золоторудных месторождениях России были открыты новые группы микроорганизмов, играющих ключевую роль в технологическом процессе, например, бактерии рода Sulfobacillus, включая Sulfobacillus olympiadicus и Sulfobacillus sibiricus.
Уже в недалёком будущем упорные руды станут основными в добыче. Если все запасы золота всех месторождений в России принять за 100% , то первичные (коренные) сульфидные руды в них составляют 64%, а упорных из них около 40%. При оценке положения в будущем не только России, но и всего мира, основное сырьё будет в виде упорных руд. Наша дальнейшая перспектива в будущем (примерно тридцатые годы столетия) – это переработка упорных руд. В настоящее время таких упорных руд в мире добывается 20-25%. В России технология переработки упорных руд началась с 70-х годов прошлого столетия.
Более широкое применение имеет технология чанового бактериального выщелачивания концентратов. Биовыщелачивание этим методом производят в специальных емкостях (чанах). После разложения сульфидов и специальной обработки, извлечение золота из концентрата обычно производят цианированием. Руду сначала перерабатывают на обычной золотоизвлекательной фабрике (ЗИФ): измельчают, обогащают и получают золотосодержащий сульфидный концентрат, с использованием, например, флотации. Бактериальной обработке при чановом выщелачивании подвергается только концентрат. Поддерживать условия для активной жизнедеятельности бактерий в ограниченных емкостях значительно проще, чем на открытых площадках, поэтому чановое бактериальное выщелачивание в настоящее время используют довольно широко в разных странах (ЮАР, Австралия, Китай, Россия, Казахстан, Бразилия и др.)
В отличие от подземного и кучного методов выщелачивания, эффективность которых сильно зависит от внешних факторов окружающей среды, чановое выщелачивание проходит в полностью управляемых условиях.
Четыре цеха «Полюса»
Первая полупромышленная установка по биологическому выщелачиванию была построена именно в России (в СССР) в 1975 г. Технология совершенствовалась, и в настоящее время по этой технологии ведется с 2000 года добыча золота из упорных руд на Олимпиаднинском месторождении в северных условиях Красноярского края. Используется чановый метод биовыщелачивания. В этих условиях на месторождении добывается около 30 тонн золота в год. Технология переработки упорных золотосодержащих руд Олимпиаднинского месторождения по технологии биовыщелачивания находится на самом высоком мировом уровне. На месторождении работают в промышленном режиме 3 установки чанового биовыщелачивания: «Био-1» (пять линий по шесть реакторов емкостью 450 м 3 каждый), «Био-2» (три линии по шесть биореакторов емкостью по 1000 м 3 ), и «Био-3» (одна линия из шести биореакторов емкостью 1000 м 3 каждый). Многоступенчатое биоокисление позволяет извлекать 94-97% золота.
В настоящее время строится цех «Био-4». Его пуск запланирован на конец 2017 года. Особенностью установки является открытое размещение реакторов. Основные физико-химические параметры процесса выведены на мониторы системы управления.
С течением времени добываемые руды становятся беднее. При использовании бедных руд (менее 1г золота на тонну), чановый метод из-за высокой энергоёмкости, требующей очень тонкого помола, становится малорнентабельным, поэтому для бедных руд используется метод кучного биовыщелачивания.
В этом методе используется дроблёная руда (крупность до 1см), где тонкий энергозатратный помол уже не требуется. Его технология заключается в том, что на непроницаемое основание насыпают кучу (штабель). Сверху через систему орошения пропускается тот же биораствор с бактериями.
Кучное биовыщелачивание происходит на природе, на открытом воздухе. Если в чанах процесс выщелачивания проходит за 5 суток, то на кучное биовыщелачивание требуется уже более 100 суток. Но из-за дешевизны процесса это всё-равно рентабельно.
Кроме того, на всех месторождениях за многие годы накопилось миллиарды тонн техногенного сырья (с содержанием золота 1-1,5 г/т), пригодного для кучного биовыщелачивания, которое можно применять на любом месторождении.
Это сырьё нашего будущего. Когда истощаются запасы богатых золотосодержащих руд, кучное биовыщелачивание позволяет вовлекать в переработку бедные и забалансовые руды, руды маломощных месторождений, отходы горнообогатительного производства и др. Это позволяет значительно увеличить сырьевую базу и добычу благородных металлов. В настоящее время метод кучного выщелачивания (КВ) широко используется при золотодобыче в Австралии, США, Канаде, Бразилии, Мексике, Саудовской Аравии, Индонезии, Новой Гвинеи, Чили, Зимбабве, Гане и др. Более 40 % мировой золотодобычи приходится на технологию КВ.
Таким образом, бактериальное биовыщелачивание подходит для концентратов чанового биовыщелачивания, обработки бедных руд, техногегнного сырья на месторождениях.
Источник
